CN103915859B

CN103915859B - 可提高电网暂态稳定性的双馈风电场控制方法

Info

Publication number: CN103915859B
Application number: CN201410115623.3A
Authority: CN
Inventors: 卢锦玲; 徐超
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2014-03-26
Publication date: 2016-04-27
Anticipated expiration: 2034-03-26
Also published as: CN103915859A

Abstract

一种可提高电网暂态稳定性的双馈风电场控制方法，它将风电场并网点的总功率作为控制量，当电网出现故障时，由风电场控制中心实时测量风电场并网点的频率和电压，根据电网的频率偏差、电压偏差和电压变化率调节风电场有功、无功出力，并将有功、无功控制量分配给各个机组和SVC，加速系统振荡能量的衰减，并为系统提供无功补偿，维持并网点母线电压恒定。本发明根据风电场并网点的频率和电压变化，实时调节风电场的有功、无功出力，加速系统振荡能量的衰减，并为系统提供无功补偿，不仅能够改善电网的暂态功角稳定，而且可以提高电网的暂态电压稳定性。

Description

可提高电网暂态稳定性的双馈风电场控制方法

技术领域

本发明涉及一种双馈风电场的控制方法，可在电网发生较大扰动时保证风电接入系统的稳定性，属于输电技术领域。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。近年来，风力发电发展迅速，由小规模地接入配电网络不断发展为大规模地接入输电网络，呈现出了与以往不同的特点。由于风电机组具有不同于常规同步发电机的特性，在电网发生较大的扰动时，会使电网的暂态稳定性发生变化。

双馈风力发电机的转子转速与电网频率解耦，并且能够实现有功、无功功率解耦控制，目前已逐步取代基于普通异步发电机的恒速风电机组，成为市场上的主流机型。常规控制方式下，为实现风能的最大化利用和获得较好的功率因数，双馈风力发电机一般采用最大功率点跟踪控制和恒功率因数控制方式，其稳态运行时在向电网输出最大有功的同时并不从电网吸取无功。然而，当电网发生故障时，双馈风力发电机失去了维持电网暂态稳定的能力，其对电网惯量的贡献、不平衡功率的阻尼作用和暂态电压支持能力几乎为零。

随着风电机组低电压穿越能力的实现，风电场具有为电网提供暂态稳定控制的能力，因此，如何使其能够像同步发电机那样有效地调控，提高风电接入系统的安全稳定性就成为一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种可提高电网暂态稳定性的双馈风电场控制方法，以提高风电接入系统的运行可靠性。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种可提高电网暂态稳定性的双馈风电场控制方法，所述方法将风电场并网点的总功率作为控制量，当电网出现故障时，由风电场控制中心实时测量风电场并网点的频率和电压，根据电网的频率偏差、电压偏差和电压变化率调节风电场有功、无功出力，并将有功、无功控制量分配给各个机组和SVC，加速系统振荡能量的衰减，并为系统提供无功补偿，维持并网点母线电压恒定，所述方法包括以下步骤：

a. 通过锁相环（PLL）测量风电并网点的频率f_PC，根据f_PC和电网参考频率f_PC-ref的误差信号∆f，得出风电场有功出力调节量∆P_W：

式中，K_f为比例系数。

进而根据各机组出力情况将∆P_W通过比例分配方法分配给各机组，得到第i台机组的有功功率调节量∆P_gi：

，

式中，P_gi-max为第i台机组的有功裕度。

b. 通过电压测量模块得到风电并网点的电压U_PC；根据U_PC和风电并网点电压参考值U_PC-ref之间的偏差通过PI控制器求得无功功率最优输出值Q_opt，根据U_PC的变化率得到无功功率附加控制量∆Q_W，由∆Q_W与Q_opt共同组成风电场总无功控制参考信号Q_wref,进而通过无功协调控制策略将Q_wref分配给各无功源。其中：

，

式中，K_u为比例系数。

上述可提高电网暂态稳定性的双馈风电场控制方法，所述无功协调控制策略包括两层无功分配，第一层无功分配在SVC和双馈风电机组之间进行，分配过程中优先考虑SVC：若Q_wref不大于SVC无功功率最大值，则Q_wref完全由SVC负担，若Q_wref大于SVC无功功率最大值，则当SVC满发时，再将剩余的无功功率分配至各风电机组；第二层无功分配在风场内各机组之间进行，根据各机组无功裕度采用比例分配算法进行分配：

式中，Q_gref为所有双馈风电机组的总无功功率参考值；Q_gi-max为第i台机组的无功裕度；Q_gi-ref为第i台机组无功功率参考值。

本发明根据风电场并网点的频率和电压变化，实时调节风电场的有功、无功出力，加速系统振荡能量的衰减，并为系统提供无功补偿，不仅能够改善电网的暂态功角稳定，而且可以提高电网的暂态电压稳定性。同时，本方法所采用的无功协调分配策略不仅可以充分发挥风电机组的无功调节能力，而且可以降低风电场的功率损耗，提高机组运行可靠性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1为双馈风电机组转子侧变频器控制框图。

图2为本发明的双馈风电场稳定控制器结构图。

图3为本发明的稳定控制器有功控制通道框图。

图4为本发明的稳定控制器无功控制通道框图。

图5为本发明仿真系统结构图。

图6为依据本发明，有无稳定控制器情况下系统同步机功角和风电场状态量仿真结果对比示意图。

图7为依据本发明，有无稳定控制器情况下注入风电场的振荡能量对比示意图。

图中和文中各符号为：P_meas、Q_meas分别为风电机组有功、无功出力测量值， P_ref、Q_ref分别为风电机组有功、无功出力参考值；I_dmeas、I_qmeas分别为转子电流测量值的d、q轴分量，I_dref、I_qref分别为转子电流参考值的d、q轴分量； U_ref为转子电压参考值； U_dref、U_qref分别为转子电压参考值的d、q轴分量； DFIGi为第i台双馈风电机组；P_i、U_Si分别为第i台机组有功出力和定子侧电压；∆P_gi为第i台机组有功功率调节量；Q_gi-ref为第i台机组无功功率参考值；U_PC、U_SVC分别为风电场并网点和SVC接入点电压；U_PC-ref、f_PC-ref分别为风电场并网点电压参考值和电网频率参考值；B_ref为SVC等效电纳设定值；f_PC为风电并网点的频率测量值；∆f为f_PC和f_PC-ref的误差信号；∆P_W稳定控制有功功率调节量；P_gi-max为第i台机组的有功裕度； Q_opt为暂态电压控制方式最优无功出力；∆Q_W稳定控制无功功率调节量；Q_wref、Q_gref、Q_sref分别为风电场、所有双馈风电机组、SVC的无功功率参考值； Q_gi-max为第i台机组的无功裕度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

本发明以集中控制方式实现，将风电场并网点的总功率作为控制量，其控制结构包括有功控制和无功控制两个通道，当电网故障后，由风电场控制中心根据风电并网点的频率偏差、电压偏差和电压变化率，快速调节风电场有功、无功出力，并按一定规律将有功、无功控制量分配给各个机组和SVC，加速系统不平衡能量的衰减，并为系统提供无功补偿，支持电网电压的恢复和重建，不仅能够改善电网的暂态功角稳定，而且可以提高电网的暂态电压稳定。

图2为本发明中双馈风电场稳定控制器结构图，其控制结构包括有功控制和无功控制两个通道。

图3为稳定控制器有功控制通道框图，有功控制通道通过锁相环（PLL）测量风电并网点的频率f_PC，根据和电网参考频率f_PC-ref的误差信号∆f，通过隔直环节、增益环节得到风电场总有功功率调节量∆P_W，进而根据各机组出力情况将∆P_W通过比例分配方法分配给各机组，得到第i台机组的有功功率调节量∆P_gi，∆P_gi和P_opt（风电机组采用最大功率点跟踪控制确定的有功参考值）共同组成风电机组的有功参考值P_ref。其中：

式中，K_f为比例系数，P_gi-max为第i台机组的有功裕度。

图4为稳定控制器无功控制通道框图，无功控制通道通过电压测量模块得到风电并网点的电压U_PC，暂态电压控制支路根据U_PC和风电并网点电压参考值U_PC-ref之间的偏差经过PI环节得出无功最优输出值Q_opt，稳定控制支路根据U_PC变化率经过隔直环节、微分环节、增益环节得到附加控制量∆Q_W，∆Q_W与Q_opt共同组成风电场无功控制参考信号Q_wref，进而通过无功协调控制策略将Q_wref分配给各无功源。其中：

式中，K_u为比例系数。

无功协调控制策略包括两层无功分配，第一层无功分配在SVC和双馈风电机组之间进行，分配过程中优先考虑SVC，若Q_wref不大于SVC无功功率最大值，则Q_wref完全由SVC负担，若Q_wref大于SVC无功功率最大值，则当SVC满发时，再将剩余的无功功率分配至各风电机组；第二层无功分配在风场内各机组之间进行，根据各机组无功裕度采用比例分配算法进行分配：

式中，Q_gref为所有双馈风电机组的总无功功率参考值；Q_gi-max为第i台机组的无功裕度；Q_gi-ref为第i台机组无功功率参考值；

考虑双馈风电场经母线i接入电网，采用常规的最大功率点跟踪控制和暂态电压控制，系统流入风电场的振荡能量为：

，

式中：P_out、Q_out分别为风电场发出的有功功率和无功功率；P_opt、Q_opt分别为采用最大功率点跟踪控制和暂态电压控制时有功、无功出力。

附加稳定控制策略后，系统流入风电场的振荡能量为：

，

从而，可增加系统注入风电场的振荡能量，加速系统不平衡功率的衰减，提高电网稳定性。

通过电力系统仿真软件DigSILENT/Power Factory建立风电机组以及风电场仿真模型，验了证本专利所提出控制策略的有效性及其对电网稳定性的贡献。其中图1为双馈风电机组转子侧变频器控制框图，可以实现有功功率与无功功率的解耦控制。

图5为在美国西部电网WSCC 3机9节点系统中接入风电机组构建仿真系统。风电场接入母线3，总装机容量为120MW，由2MW 双馈风电机组构成，通过两级升压变压器接入电网，在主变低压侧接入SVC进行集中补偿。

系统故障取三相短路，故障地点为母线8，故障在t=1s时发生，故障切除时间为0.15s，仿真时间为7s。

图6为双馈风电场分别采用常规控制策略（最大功率点追踪控制和恒功率因数控制）和本专利控制策略情况下系统同步机功角和双馈风力发电机状态量仿真结果对比示意图。

通过仿真可以看出，同采用常规控制策略相比，采用本专利控制策略时系统阻尼增大，同步发电机功角波动减小，能较快地恢复到稳定运行状态。双馈风电机组能通过自身转速的变化，短时吸收或释放部分旋转动能，加速系统不平衡能量的衰减，抑制系统同步发电机功角振荡，风电机组输出功率和转速波动增大。同时，故障期间和故障切除后，双馈风电机组和SVC都能够动态控制发电机发出的无功功率为系统电压恢复提供支持，故障期间，系统电压跌落幅度减小，且故障切除后能较快的恢复正常值，其暂态电压支持效果明显。

图7为两种不同控制策略下注入风电场（包括双馈风电机组和SVC）的振荡能量，可看出常规控制下注入风电场的振荡能量持续减小，即不断有振荡能量从风电场流入电网，产生振荡能量，稳定控制策略下，流入风电场的振荡能量持续增加，即风电场不断消耗振荡能量，抑制系统功率振荡，有利于系统稳定。

Claims

1.一种可提高电网暂态稳定性的双馈风电场控制方法，其特征是，所述方法将风电场并网点的总功率作为控制量，当电网出现故障时，由风电场控制中心实时测量风电场并网点的频率和电压，根据电网的频率偏差、电压偏差和电压变化率调节风电场有功、无功出力，并将有功、无功控制量分配给各个机组和SVC，加速系统振荡能量的衰减，并为系统提供无功补偿，维持并网点母线电压恒定；

所述方法包括以下步骤：

a. 通过锁相环（PLL）测量风电并网点的频率f_PC，根据f_PC和电网参考频率f_PC _-ref的误差信号∆f，得出风电场有功出力调节量∆P_W：

式中，K_f为比例系数；

进而根据各机组出力情况将∆P_W通过比例分配方法分配给各个机组和SVC，得到第i台机组的有功功率调节量∆P_gi：

式中，P_gi _-max为第i台机组的有功裕度；

b. 通过电压测量模块得到风电并网点的电压U_PC；根据U_PC和风电并网点电压参考值U_PC-ref之间的偏差通过PI控制器求得无功功率最优输出值Q_opt，根据U_PC的变化率得到无功功率附加控制量∆Q_W，由∆Q_W与Q_opt共同组成风电场总无功控制参考信号Q_wref，进而通过无功协调控制策略将Q_wref分配给各个机组和SVC，其中：

式中，K_u为比例系数。

2.根据权利要求1所述的可提高电网暂态稳定性的双馈风电场控制方法，其特征是，所述无功协调控制策略包括两层无功分配，第一层无功分配在SVC和双馈风电机组之间进行，分配过程中优先考虑SVC：若Q_wref不大于SVC无功功率最大值，则Q_wref完全由SVC负担，若Q_wref大于SVC无功功率最大值，则当SVC满发时，再将剩余的无功功率分配至各风电机组；第二层无功分配在风场内各机组之间进行，根据各机组无功裕度采用比例分配算法进行分配：

式中，Q_gref为所有双馈风电机组的总无功功率参考值；Q_gi _-max为第i台机组的无功裕度；Q_gi _-ref为第i台机组无功功率参考值。